Компенсационные стабилизаторы с непрерывным регулированием

Компенсационный стабилизатор напряжения (КСН) на транзисторах с непрерывным регулированием представляет собой систему автоматического регулирования, в которой с заданной точностью поддерживается постоянным напряжение или ток на выходе (нагрузке), независимо от изменения входного напряжения, сопротивления нагрузки, температуры окружающей среды и параметров схемы.

Рис. 1. Блок - схема компенсационного стабилизатора

КСН отличаются от параметрических стабилизаторов тем, что в них фактическое выходное напряжение сравнивается с опорным напряжением. В зависимости от знака рассогласования регулирующий элемент стремится вернуть выходное напряжение к заданному уровню. Кроме того, КСН позволяют достаточно просто устанавливать заданный номинал выходного напряжения.

Основные элементы КСН как системы автоматического регулирования имеют следующие коэффициенты передачи: К_ср - схемы сравнения (СС) выходного напряжения КСН с опорным напряжением, К_у - усилителя рассогласования, К_р - регулирующего (силового) элемента (РЭ) со стороны управляющего воздействия и К_п - со стороны входного напряжения источника питания (рис. 1).

Полагаем:

К_ст = U_n/U_вых, (1)

— абсолютный коэффициент стабилизации при R_н = const. Здесь U_n - абсолютное изменение напряжения источника питания; U_вых - абсолютное изменение выходного напряжения.

R_вых = U_вых/I при U_n = const , (2)

— выходное сопротивление, характеризующее изменение выходного напряжения при изменении тока нагрузки.

В пренебрежении дрейфом выходного напряжения из-за колебаний температуры и старения элементов схемы определяем параметры стабилизатора в общем виде с учетом (1) и (2):

U _вых = U_n/ К_cm  I_н R_вых , при I_н = 0,

U _вых = U_n К_п - U_н К_cрК_уК_р.

Отсюда абсолютный коэффициент стабилизации

. (3)

К_ = К_cрК_у К_р - коэффициент передачи разомкнутой системы регулирования (петлевой коэффициент передачи).

Положив U_n = 0 находим выходное сопротивление регулирующего элемента R_{р вых} КСН. Если известно выходное сопротивление регулирующего элемента R_{р вых} (его можно вычислить или измерить при разомкнутой цепи регулирования), то с учетом (2) получим:

. (4)

В качестве РЭ в подавляющем большинстве случаев используется эмиттерный или истоковый повторитель на биополярном или полевом транзисторе (или транзисторах) включенный последовательно с нагрузкой.

Основные соотношения для РЭ сводятся к уравнениям баланса его токов и напряжений. Учитывая, что выходное напряжение в процессе работы стабилизатора остается практически постоянным, напряжения и токи РЭ будут изменяться в пределах

U_{к-э макс} = U_{вых макс} - U_{вых мин};

U_{к-э мин} = U_{п мин} - U_{п макс};

I_{к макс}  I_{н макс}; (5)

I_{к мин}  I_{н мин.}

Максимальная мощность рассеяния транзистора:

Р_{к макс}  I_{к макс} (U_{к-э макс} + U_эф), (6)

где U_эф = U²_m /3 - среднеквадратичное напряжение пульсации входного напряжения.

Температура перехода Т_п транзистора РЭ в режиме Р_{к макс} и Т_{с макс} не должно превышать Т_{п макс}:

Т_п = Р_{к макс} + Т_{с макс}  Т_{п макс}, (7)

где R_т - суммарное тепловое сопротивление транзистора РЭ с тепловоотводом;

Т_{с макс} - максимальная рабочая температура КСН;

Т_{п макс} - максимально допустимая температура перехода транзистора РЭ.

При невыполнении выражения (7) применяют параллельное включение транзисторов РЭ или шунтируют электроды коллектора и эмиттера транзистора VT2.2 резистором, что однако снижает предел регулирования токов нагрузки.

Транзисторы, входящие в состав РЭ, выбираются по максимально допустимым напряжениям, токам и мощности рассеяния, приведенным в табл. 1, табл. 2 и в справочниках.

Схемы управления, т.е. УПТ и СС могут быть выполнены различными способами.

Анализ работы КСН проведем на примере простой схемы, представленной на рис. 2.

в)

Рис. 2. а) принципиальная схема КСН; б) схема токостабилизирующей цепочки; в) эквивалентная схемы КСН

Здесь РЭ выполнен на составном эмиттерном повторителе VT2.1, VT2.2. На его вход подается сигнал с коллектора VT1, который является усилителем сигнала рассогласования. Источник опорного напряжения VD1 подключен к эмиттеру VT1, резистор R₃ служит для задания начального тока через стабилитрон VD1. На базу VT1 через делитель R₁, R₂ поступает напряжение U_н.

При возрастании U_н (по абсолютному значению увеличится ток базы I_б1 и следовательно I_к1, что уменьшит напряжение U_к1, а, следовательно и U_н. В результате U_н будет стремиться вернуться к прежнему уровню.

Напряжение на выходе (нагрузке) U_н будет превышать опорное напряжение в R₂/(R₁+R₂) раз.

Резистор R₄ служит для повышения температурной стабильности КСН.

Конденсатор С₁ используется для устранения самовозбуждения стабилизатора и повышения его устойчивости за счет образования цепи отрицательной обратной связи по переменному току.

Для определения основных параметров КСН воспользуемся эквивалентной схемой рис. 2, в) с разомкнутой цепью обратной связи.

Полагая U_н = 0 получим:

К_ср = I_бл/U_н1/R₁ ;

т.к. R_вх  h₁₁₍₁₎  R; R₅  R_{вх 2} ;

;

. (8)

Здесь учтено, что VT2.1, VT2.2 образуют эмиттерный повторитель со следующими параметрами:

. (9)

Таким образом, для петлевого коэффициента передачи:

; (10)

, (11)

очевидно, что R_{р вых} = R_{вых 2} , в результате:

; (12)

.

Анализ полученных выражений показывает, что К_cт существенно зависит от величины резистора R₅ величине которого не может быть выбрана достаточно большой из-за возрастания потерь на РЭ.

Поэтому указанное затруднение решается путем замены резистора R₅ на токостабилизирующую цепочку, показанную на рис. 2, б.

Ее динамическое сопротивление

.

Из полученных выражений видим, что коэффициент стабилизации возрастает с ростом коэффициента усиления по току h₂₁₍₁₎ транзистора усилителя сигнала рассогласования, а выходное сопротивление уменьшается с увеличением h_{21 (1)} h_{22 (2)} транзисторов УПТ и РЭ.

Итак, при достаточно больших значениях К_стабильность выходного напряжения КСН практически определяется стабильностью источника U_оп.